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Etude et évaluation des performances des systèmes de gestion de batteries lithium- ion


par Zied Jelassi
Ecole Superieure de Communication de Tunis SUPCOM - Ingénieur télécom 2009
  

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1.2.1.3. Résistance Interne

La résistance interne d'une batterie est définie comme l'opposition à la circulation du courant dans une batterie. Il y a deux composantes essentielles pour cette résistance: La résistance électronique et la résistance ionique. Leur effet combiné est dénommée la résistance effective totale.

La résistance électronique englobe la résistivité des matériaux utilisés tels que le métal de couverture et les composants internes. Elle dépend aussi de la façon dont les matériaux sont en contact les uns avec les autres. L'effet de cette résistance est très rapide et peut être détecté dans les millisecondes premières après qu'une batterie est placée sous charge [5, 8].

La résistance ionique est l'opposition au passage du courant dans la batterie due à des facteurs électrochimique divers tels que la conductivité de l'électrolyte, la mobilité des ions et la surface de l'électrode. Cet effet se produit plus lentement que la résistance électronique [5, 8, 9].

Un certain nombre de techniques sont disponibles pour mesurer la résistance interne de la batterie comme la méthode DC (courant continu) ou la méthode AC (courant alternatif) [8, 21]. Pendant la réalisation du test AC, il peut être remarqué que la résistance interne d'une batterie dépend de la fréquence [8, 9], qui entraine une expression complexe de la résistance de la batterie ou plus précisément de son impédance. Cette dernière peut être présentée à l'aide d'une représentation de type Nyquist (partie imaginaire vs partie réelle). Une forme générale d'une représentation de Nyquist de l'impédance électrochimique complexe d'une batterie plomb-acide à haute capacité est donnée par la figure 1.3 [8].

Figure 1.3 : Représentation de Nyquist d'une résistance interne d'une batterie Plomb-acide.

En générale, la résistance interne de la batterie augmente quand la température ambiante diminue. Ce résultat peut s'expliquer par le fait qu'à basse température les réactions électrochimiques qui ont lieu au sein de la batterie ralentissent. En conséquence, la mobilité des ions dans la batterie diminue. L'effet de la température sur la résistance effective totale d'une batterie en alcaline neuve, E91 AA, est représentée dans la figure 1.4.

Figure 1.4 : L'effet de la température sur la résistance effective totale [38]. 1.2.1.4. State of Heath (SoH)

Le SoH reflète un état général de la batterie (état de santé de la batterie) et sa capacité à fournir les performances spécifiées par rapport à une batterie neuve. Elle dépend de

plusieurs paramètres tels que l'acceptation de charge, la résistance interne, la tension, l'autodécharge, etc.

Pendant la durée de vie d'une batterie, sa santé (ses performances) tend à se détériorer progressivement à cause des changements physiques et chimiques irréversibles qui ont lieu lors de l'usage et du vieillissement, jusqu'à ce que finalement la batterie ne soit plus utilisable. Le SoH donne donc une indication sur la position de la batterie par rapport à son cycle de vie des batteries.

Le but du SoH est de fournir une indication sur le temps consommé de la durée de vie utile de la batterie ou le temps restant avant son remplacement. Par exemple, la connaissance du SoH aidera l'ingénieur à anticiper les problèmes, à faire le diagnostic des pannes ou à planifier le remplacement des batteries. Il s'agit essentiellement d'une fonction de suivi de l'évolution à long terme de la batterie.

Tout paramètre qui change considérablement avec l'âge, telle que l'impédance de cellule, peut être utilisée comme une base pour fournir une indication du SoH de la batterie. Comme l'indication du SoH est relative à la condition d'une nouvelle batterie, le système de mesure doit tenir un registre des conditions initiales ou au moins un ensemble de conditions standards. Ainsi, si l'impédance de la cellule est le paramètre surveillé, le système doit garder en mémoire comme une référence, la valeur initiale de l'impédance interne de la batterie avant sa première utilisation.

En pratique, certains fabricants des équipements de test estiment le SoH à partir des mesures d'un seul paramètre comme l'impédance de la cellule. Dans le but d'améliorer la pertinence de cette estimation, d'autres industriels mesurent plusieurs paramètres qui varient en fonction de l'âge de la batterie et font une estimation du SoH à travers une combinaison de ces facteurs. Parmi ces facteurs, on compte la capacité, la résistance interne, l'autodécharge, l'acceptation de charge, les capacités de décharge, la mobilité des électrolytes, le nombre de cycles, etc. Pour améliorer la qualité de cette estimation et surtout l'interprétation de la valeur du SoH, une pondération est appliquée à ces différents paramètres. Cette pondération des facteurs individuels est effectuée sur les bases de l'expérience, la chimie de la cellulaire et de l'application dans laquelle la batterie est utilisée.

Projet fin d'étude Page Zied Jelassi

De ce fait, on peut considérer que le SoH est une mesure subjective puisque différents fabricants modifient sa définition et ses facteurs à partir d'une variété de paramètres mesurables. De cet ensemble de mesures, ils les traduisent en SoH en fonction de leur propre ensemble de règles.

1.2.1.5. State of charge (SOC)

Le SoC (état de charge) est le pourcentage de la charge actuelle par rapport à la charge maximale prévue dans une batterie [5]. Le SoC est l'équivalent d'une jauge de carburant pour le pack de batterie dans un BEV (Battery Electric Vehicle), un HEV (Véhicule Electrique Hybride) ou un PHEV (Plug-in Hybrid Electric Vehicle).

L'indication du SoC n'est pas aussi simple que cela pourrait paraître et elle implique des mesures et une modélisation de la batterie [10]. Pour s'en convaincre, il suffit de considérer un exemple simple où la tension de la batterie V est mesurée, indexant ici une mémoire gérée par un microcontrôleur et dans laquelle serait stockée la relation V-SoC [11, 12]. La taille et la précision des systèmes d'indication de SoC dépendent du nombre de données stockées dans la relation V-SoC. Un autre problème concerne la tension de la batterie qui est fonction de différents paramètres comme la température, les taux de décharge et le vieillissement. Faire la table de correspondance entre la température et le taux décharge permet de résoudre les deux premières dépendances [13]. Par contre, le vieillissement de la batterie est un processus complexe qui implique de nombreux paramètres de la batterie. Le processus est trop complexe pour être abordé avec l'implémentation d'une simple table de recherche [13].

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